Informe Final de Turbina de Gas

7/25/2019 Informe Final de Turbina de Gas

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Repblica Bolivariana de Venezuela

Universidad Nacional Experimental Politcnica Antonio Jos de Sucre

Vicerrectorado Luis Caballero Mejas

Ctedra: Instalaciones Trmicas

Profesor: Integrantes:

Carlos Segura Grupo Nro. 2

Caracas, septiembre de 2015


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INTEGRANTES DEL GRUPO Nro.2

NOMBRES EXPEDIENTE

1.- lvarez Jos 2011203144

2.- Colmenares Gregori 2011103261

3.- Daz Octavio 200510580

4.- Espinoza Frank 2011103016

5.- Moreno Alexis 2009203016

6.- Peinado Juleina 2009103119

7.- Pereira Cesar 2011203090

8.- Rangel Daniel 2011103031

9.- Rivera Joel 2011103040

10.- Rodrguez Carlos 2010203364

11.- Rojas Ricardo 2010203167

12.- Snchez Miguel 2010103208

13.- Santana Cesar 2011103016

14.- Surez Juan 2010203037

15.- Villegas Nixon 2010103295


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INDICE

INTRODUCCIN ..1

OBJETIVOS ...2

TEORA .....3 - 8

EQUIPOS UTILIZADOS........9 - 10

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.......11 - 12

ANLISIS DIMENSIONAL........... 13

CLCULOS Y RESULTADOS...14 - 17

DISCUSIN DE RESULTADOS18

CONCLUSIN .19

RECOMENDACIN...20

ANEXOS...21 - 23

BIBLIOGRAFA...24


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INTRODUCCIN

La turbina cussons de gas de doble eje incorpora un conjunto de generador,

compresor de gas de flujo axial, una turbina de flujo radial y una cmara de combustin de

gas. La unidad est diseada para permitir un anlisis de la caracterstica de un generador

de gas, una turbina de potencia y una cmara de combustin utilizando la instrumentacin

situada en el panel. Es posible hacerla trabajar sobre un rango muy amplio de velocidad y

carga, que junto con la facilidad para variar la variacin de velocidades entre el generador

de gas y la turbina de potencia, hace que se pueda llevar a cabo un programa muy completo

de ensayos. Los servicios empleados en ella son electricidad, agua y bomba de aceite.

Las turbinas de gas se utilizan cada vez ms en las centrales elctricas para una

variedad de aplicaciones en todo el mundo. Originalmente fueron solamente desarrolladaspara la propulsin de aviones donde su inherente bajo peso especfico (i.e masa/potencia de

unidad) las haca esenciales para vuelos de alta velocidad. Por esta razn particular fueron

desarrolladas a un alto grado de rendimiento en trminos termodinmicos y mecnicos.

Debido parcialmente al mpetu del campo de motores de avin y tambin a otras

ventajas operacionales significativas, las turbinas de gas industriales han sido y estn

siendo desarrolladas para aplicaciones tan diversas como para las centrales de pico, bombas

de bomberos, unidades compresoras y de bombeo de gas natural, energa de planta yplantas de proceso de calentamiento, propulsin de camiones pesados, propulsin de trenes

y barcos. La Unidad de Turbina de Gas P9005 de Cussons se ofrece ahora como mquina

de doble eje con equipo de arranque incorporado, sistema de absorcin de potencia y

opcin de registro de datos (P9008). Ofrece los medios de poder llevar a cabo un extenso

programa de experimentos de la tecnologa de las turbinas de gas utilizando solamente la

instrumentacin o vista.

Las caractersticas particulares de la Turbina de Gas de doble eje son su versatilidad,

facilidad de operacin, seguridad y bajos niveles de ruido. Toda la instrumentacin y los

controles se hallan en el panel, el cual muestra un diagrama de flujo con una clara

indicacin de todas las mediciones identificadas mediante smbolos e indicadores

luminosos. La medicin del par de turbina se logra mediante un dinammetro elctrico

calibrado.


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OBJETIVOS

Objetivo General

Conocer el funcionamiento y las partes que integran un ciclo brayton (turbina de gas).

Objetivos Especficos

Encender la turbina de gas.

Identificar los componentes de una turbina de gas.

Apreciar los parmetros de la turbina de gas.

Calcular la eficiencia de la turbina de gas.


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TEORA

Turbinas de gas

Una turbina de gas es un motor que utiliza el flujo de un gas como flujo de trabajo,

para convertir energa trmica en energa mecnica. Las turbinas de gas (TG) se

caracterizan por presentar una baja relacin peso potencia y una velocidad de giro elevada.

Las dos principales reas de aplicacin de la turbinas de gas son la propulsin de aviones y

la generacin de energa elctrica.

Cuando se emplean en propulsin de aviones, la turbina de gas produce la potencia

suficiente para accionar el compresor y un generador elctrico que alimenta el equipo

auxiliar. Los gases de escape a velocidad alta son los que generan el empuje necesario paramover la aeronave. Las turbinas de gas tambin se utilizan en centrales estacionarias que

producen energa elctrica. Las centrales elctricas de turbina de gas son empleadas por la

industria de generacin elctrica en emergencias y durante periodos picos debido a su bajo

costo y tiempo de respuesta rpido.

Compresores

Los compresores, as como las bombas y los ventiladores, son dispositivos tiles paraaumentar la presin de un fluido. El trabajo es suministrado a estos dispositivos por una

fuente externa mediante un eje rotatorio. Una vez que el gas se comprimi es enviado a la

cmara de combustin. En general existen dos tipos de compresores los centrfugos y los de

flujo axial. A continuacin se describe el principio de funcionamiento de cada uno de ellos.

El compresor centrfugo (Fig. 1.1) consiste de una carcasa fija que contiene en su

interior un rodete que al girar imprime una gran velocidad al aire, ms una serie deconductos divergentes fijos en los cuales el aire se desacelera con el consiguiente aumento

de la presin esttica. Este ltimo proceso es una difusin y en consecuencia la parte del

compresor que comprende dichos conductos divergentes se le conoce como difusor.


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Figura 1.1 Partes de un Compresor Centrfugo.

Las ventajas del compresor centrfugo son que ocupa un espacio menor que el

compresor axial equivalente y que su comportamiento no se ve afectado por la acumulacin

de depsitos en las superficies de los canales de aire al trabajar en una atmosferacontaminada y es capaz de funcionar con un buen rendimiento dentro de un amplio margen

de gastos msicos para cualquier velocidad de giro.

En el compresor de flujo axial (Fig.1.2) se aplica el principio bsico de la aceleracin

del fluido seguida de una desaceleracin o difusin que convierte la energa cintica

adquirida en aumento de presin, esto se consiguen haciendo pasar el fluido a travs de una

sucesin de conductos que se van ensanchando, con las consiguientes disminuciones de lavelocidad.

Este proceso se lleva a cabo en una serie de pasos o escalonamientos. El flujo del gas

es paralelo al eje del compresor y no cambia de sentido como en los compresores

centrfugos.

Figura 1.2 Compresor de Flujo Axial


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Cmara de combustin

La cmara de combustin (Fig. 1.3) es el lugar donde se realiza la combustin . La

combustin es continua y solo requiere una chispa elctrica para iniciar el proceso, despus

de lo cual la llama debe ser autosostenida. Cuanto mayor sea la temperatura de la

combustin mayor ser la potencia a desarrollar por la turbina, es por ello que el diseo

delas cmaras de combustin est enfocado a soportar temperaturas superiores a los

1000C, mediante recubrimientos cermicos, y a su vez evitar que el calor producido dae

otras partes de la turbina que no estn diseadas para soportar temperaturas altas. A

menudo se divide al aire que sale del compresor en una serie de corrientes, cada una de las

cuales alimenta a una cmara de combustin tubular. Estas cmaras se hallan espaciadas

alrededor del eje que une al compresor y la turbina.

Figura 1.3 Cmara de Combustin de gas Industrial.


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Turbina

La turbina es un motor basado en la rotacin de una rueda con labes curvados,

colocados en su periferia que recibe el impacto de una corriente de vapor, gas o agua En las

turbinas de gas el fluido es el gas proveniente de la cmara de combustin y est diseada

para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustin y convertir su energa

cintica en energa mecnica de rotacin.

Ciclo brayton

Las turbinas de gas en ciclo abierto o cerrado operan con base en el principio del

ciclo de potencia Brayton tambin llamado de Joule, en donde el aire comprimido esmezclado con el combustible y quemado bajo condiciones de presin constante. El gas

caliente producido por la combustin se expande a travs de la turbina y la hace girar para

realizar trabajo.

Ciclo abierto

El objetivo del ciclo Brayton de turbina de gas es convertir la energa en forma de

calor en trabajo, por lo cual su rendimiento se expresa en trminos de eficiencia trmica. A

continuacin se muestra el ciclo Brayton en su modalidad de ciclo abierto (Fig. 1.4).

Figura 1.4 Ciclo Abierto de una Turbina de Gas.


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Las turbinas de gas usualmente operan en un ciclo abierto, como muestra la figura

1.4 Aire fresco en condiciones ambiente se introduce dentro del compresor donde su

temperatura y presin se elevan. El aire a presin alta sigue hacia la cmara de combustin

donde se mezcla con el combustible y se quema a presin constante. Luego los gases de

temperatura alta que resultan entran a la turbina, donde se expanden hasta la presin

atmosfrica, de tal forma que producen potencia. Los gases de escape que salen de la

turbina se expulsan hacia la atmsfera lo que provoca que el ciclo sea abierto.

Ciclo cerrado

El ciclo Brayton en su modalidad de ciclo cerrado (Fig. 1.5) es el siguiente:

Figura 1.5 Ciclo Cerrado de una Turbina de gas.

Este ciclo est integrado por cuatro procesos internamente reversibles: 1-2

compresin isentrpica (en el compresor), 2-3 Adicin de calor a presin constante, 3-4

Expansin isentrpica (en la turbina), 4-1 Rechazo de calor a presin constante.

En este ciclo los procesos de compresin y expansin permanecen iguales, pero el

proceso de combustin se sustituye por un proceso de adicin de calor a presin constante


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de una fuente externa (fluido auxiliar) en la cmara de combustin. En el proceso de escape

no hay descarga hacia la superficie sino que los gases son redirigidos para ser enfriados

antes de vuelvan a entrar al compresor.

Descripcin general de la turbina de gas del laboratorio

La unidad de la Turbina de Gas (TG) de dos ejes P9005 de la marca Cussons Ltd est

construida con un sistema de entrada de aire y una unidad de carga elctrica. Es un equipo

independiente que cuenta con un generador de gas (compresor, eje y turbina de trabajo),

turbina de potencia, unidad de carga, instrumentacin y un control manual, todo esto

montado en un mdulo. Adems la TG cuenta con un panel frontal (Fig. 1.6) dotado con las

vlvulas y los indicadores para manipular y medir las variables del proceso. El panel frontalde la TG muestra la secuencia del proceso. El proceso de la turbina comienza energizando

el soplador, el aire es direccionado por medio de una vlvula de dos posiciones accionada

desde el panel frontal. En la posicin de Start el aire sigue una trayectoria desde el

soplador hasta la cmara de combustin a travs del eje comn del compresor y la turbina

de trabajo. En este punto se inicia el suministro del gas que servir de combustible para la

ignicin en la cmara de combustin, para llegar a ese punto previamente se regula la

presin y el flujo del gas por medio de la vlvula reductora y de la vlvula de gas las dos

manipuladas manualmente.

La combustin en la cmara de combustin se inicia con una chispa dentro sta. Los

gases de la cmara de combustin mueven la turbina de trabajo, cuando el indicador de

velocidad de la turbina de trabajo alcanzan las 1000 RPS, se cambia la posicin de la

vlvula de aire a la posicin Run direccionado as el aire del soplador hacia el

silenciador, permitiendo que el compresor comience a trabajar y llevando al sistema de

inicio a un estado estable. Los gases despus de pasar por la turbina de trabajo se

direccionan a la turbina de potencia que tiene acoplado un generador elctrico. Por ltimo

los gases de la turbina de potencia se descargan a la atmsfera a travs de la chimenea.


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EQUIPOS UTILIZADOS

Unidad Turbina de Gas (TG) de dos ejes P9005 de la marca Cussons Ltd.

Vista frontal de la unidad de turbina de gas de doble eje

Este sistema est conformado por los siguientes componentes:

A -Silenciador de Admisin de Aire.

B Compresor.

C -Cmara de Combustin.


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D -Turbina Generadora de Gas.

E -Turbina de Potencia.

F -Silenciador de Escape.

G -Compresor de Aire de Arranque.

HDinammetro.

I -Deposito de Aceite.

J -Bomba de Aceite.

K -Refrigerador de Aceite.

L -Admisin Elctrica Principal.


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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Arranque

1.- Conectar el agua de refrigeracin y el drenaje.

2.- Conectar la botella de gas.

3.- Conectar la alimentacin elctrica.

4.- Ajustar el control de entrada de aire a la posicin de arranque.

5.- Cerrar la vlvula de gas y abrir la vlvula en la botella de gas.

6.- Ajustar la excitacin del dinammetro a un mximo.

7.- Poner en marcha la bomba de aceite.

8.- Apretar el botn de puesta cero.

9.- Poner en marcha el soplante.

10.- Ajustar la presin del gas a 2.0 bar con la vlvula reductora.

11.- Apretar el botn de encendido y mantenerlo con la vlvula de gas abierta hasta

obtener un flujo de gas de 5 kg/s.

12.- Si hay un encendido, lo que se ve con el aumento de la temperatura T3, y esto debe

ocurrir en unos 5 segundos de flujo de gas. Pero si no lo hubiera se cierra la vlvula de gas

hasta que los gases no quemados desaparezcan en el sistema, antes de empezar otra vez enel 11.

13.- Soltar el botn de encendido.

14.- Abrir la vlvula de gas lentamente hasta tener una velocidad en el generador de gas


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de una 1000 rev/s teniendo cuidado de mantener la temperatura de la cmara de combustin

por debajo de 800 C( esta operacin puede necesitar unos minutos, dependiendo de la

temperatura del aceite).

15.- Llevar el control de aire de entrada a la posicin de marcha.

16.- Cerrar el soplante.

17.- Permitir que la turbina gire a unas 1000 rev/s hasta que la temperatura del aceite

alcance unas 95 C.

18.-Comenzar el procedimiento de ensayo.

NOTA:

A) Ajustar la presin del gas a 1.5 bar antes de hacer lecturas del flujo de gas.

B) No exceder de 1500 rev/s la velocidad del generador de gas.

C) No exceder de 600 rev/s la velocidad de la turbina de potencia.

D) El equipo est provisto de varias medidas de seguridad. Si la temperatura de la cmara

de combustin T3 pasara de 800 C, debido a exceso de combustible , o si la presin del

aceite baja de 1.5 bar entonces la alimentacin de gas queda cortada mediante una vlvula

selenoidal, Para volver a ponerla en marcha seguir las instrucciones de 4 -17.

Parada

1.- Cerrar la llave de la botella de gas.

2.- Cerrar de la vlvula de gas.

3.- Mantener el agua de refrigeracin y la bomba de aceite en marcha hasta que la

temperatura del aceite baje a 50 C.

4.- Desconectar la alimentacin elctrica.


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ANLISIS DIMENSIONAL

ECUACION N1Potencia requerida por el compresor:

( ) ( )

Dnde: potencia requerida por elcompresor

:flujo msico del aire

entalpia a la salida del compresorentalpia a la entrada del compresor

ECUACION N2Calor entregado por la cmara de

combustin:

( ) ( )

Dnde: calor entregado por la cmara decombustin flujo msico del aireentalpia a la salida de la cmara decombustinentalpia a la entrada de la cmara decombustin

ECUACION N4Potencia suministrada por la turbina:

( ) ( )

Dnde: potencia requerida por elcompresor :flujo msico del aireentalpia a la salida del compresorentalpia a la entrada del compresor

ECUACION N5Flujo msico de la sustancia de trabajo

(aire) :

ECUACION N5Eficiencia trmica de la turbina a gas:

( )


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CALCULOS Y RESULTADOS

Datos

T1 Tg T2R T3R T4R T5R P3R P4 P2-P3R

39 33 80 900 720 620 0.4 // 2Nota: Estas temperaturas estn medidas en grados Celsius (C), para efecto de clculo fuenecesario realizar una conversin a grados Kelvin (K)

Flujo de Gas(Gr/seg)

R.P.MTurbina

R.P.M GG Voltaje AmperajePresin de

Aceite

1.7 450 1100 36 20 3.5

Nota: estos datos fueron medidos experimentalmente desde el panel de mediciones de laturbina empleada en la prctica; Las temperaturas fueron medidas en grados Celsius (C);Las presiones medias en Bar; La diferencia de presin en mmHg.

Datos obtenidos tericamente

Entalpias Reales(KJ/Kg)

Temperaturas Ideales(K)

Flujo msicode trabajo(Kg/seg)

Potencia delcompresor (KW)

h2r = 353.51 T2 = 337.82

0.1191 5.513h3r = 1247.1 T3 = T3Rh4r = 1077 T4 = 1117.42

h5r = 957.94 T5 = 851.40Nota: Por la diferencia tan pequea que presenta la presin entre los tramos 2 y 3, seasumir que el proceso ocurri de manera isobrica y por lo tanto T3 = T3R; para el clculo

de las temperaturas ideales, se asumi que el aire presenta propiedades constantes atemperatura ambiente (Cp = cte).


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Presiones(Kpa)

Potencia dela turbina

(KW)

Potencianeta (KW)

Caloraadido(KW)

Eficienciatrmica

Eficiencia deCarnot

P3 = 141.4

11.95 11.95 98.06 12.18 % 73.8 %P4 = 119.33Nota: El eje que conecta al compresor con la turbina de gas no es el mismo sobre el cualest montada la turbina de potencia, por lo cual la potencia producida por la primera turbinano suma a la potencia generada por la Turbina 2.

Trabajoideal

(KW)

Trabajoreal

(KW)

Eficiencia delcompresor

Eficiencia dela turbina de

gas

Eficiencia dela turbina de

potenciaCompresor 3.68 5.5367 % 30.87% 70.6%Turbina 1 21.52 6.64

Turbina 2 16.93 11.95

Las formulas usadas para la obtencin de estos valores fueron las siguientes :

()= Trabajo real de la turbina de gas

()= Trabajo ideal de la turbina de gas

()= Trabajo real del compresor

()= Trabajo ideal del compresor


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()= Trabajo real de la turbina de potencia

()= Trabajo ideal de la turbina de potencia

Esquema del ciclo de la turbina de gas


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Diagrama Temperatura Vs. Entropa


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DISCUSIN DE RESULTADOS

De acuerdo a los datos obtenidos despus de haber realizado el encendido de la

TURBINA DE GAS P9005 CUSSONS y observado el comportamiento de los dispositivos

y elementos de sta, se pudo analizar lo siguiente:

1. Los datos arrojados por los diferentes instrumentos de medicin no fueron un 100%

exacto, debido a que estos instrumentos presentaban problemas de calibracin.

2. Observando los trabajos ideales de los componentes (compresor, turbina 1 y 2) y

comparndolos con los trabajos reales podemos ver una variacin de este. El del

compresor aumenta y las turbinas disminuyen.

3. El trabajo requerido por el compresor para llevar el fluido de trabajo a una presin ms

elevada es del todo compensado por la primera turbina ya que el trabajo requerido por

el compresor de manera real es menor que el trabajo aportado por la turbina de gas de

esta manera es suficiente para que el compresor funcione correctamente. Al igual de

manera ideal la turbina de gas satisface la demanda del compresor y se presenta un

remanente de trabajo considerable por parte de la turbina de gas.

4. El trabajo ideal aportado por la turbina de gas presenta una disminucin considerable

cuando lo comparamos con su trabajo real, haciendo esto que la eficiencia sea muy

baja.5. Las eficiencias obtenidas con los datos arrojados por la turbina muestran un desbalance

en cuanto a la turbina de gas y la turbina de potencia pudiendo decir que si elevamos la

eficiencia de la primera turbina hasta un valor cercano o igual a la segunda turbina

obtendremos un mejor rendimiento del compresor y as un mejor trabajo de la turbina

en general.

6. Estudiando una maquina te carnot que trabaje entre los mismos lmites de temperatura

podemos tener una eficiencia de carnot del 73,8%, pudiendo decir que la turbina con

una eficiencia de 12,18% se puede mejorar hasta aproximarse a un valor ms cercano

que el de una mquina de carnot.


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CONCLUSIN

La turbina de Gas de doble eje marca CUSSONS cuyo funcionamiento es el de un ciclo

Brayton est diseada especficamente para la generacin de energa. La misma es

producida netamente por la turbina de potencia, ya que la otra turbina que se encuentra en

el sistema est diseada nica y exclusivamente para suministrar la potencia que necesita el

compresor; este proceso se conoce como trabajo de retroceso, lo que hace que este sistema

o este equipo despus de un determinado tiempo sea autosustentable.

El diagrama T-S correspondiente al ciclo, es importante ya que proporciona

informacin acerca de los intervalos mximos y mnimos de los diferentes puntos de este

proceso de produccin o generacin de energa. Esto nos ayuda a identificar cuando existe

una situacin de prdida en el ciclo bien sea real el mismo, o nos ayuda de la misma forma

a identificar como son los procesos cuando este mismo es ideal.

Para la realizacin de la prctica se fijaron varios objetivos, entre los cuales

destacaba el encendido del equipo, el cual se pudo cumplir de manera exitosa, pudiendo as

recaudar datos necesarios para la realizacin de los clculos que se necesitan para hallar las

distintas eficiencias planteadas en los objetivos especficos, este encendido del equipo no

se realiz una vez sino dos veces y por ende se logr de nuevo alcanzar el objetivo durante

el experimento.

Como objetivo tambin se plante el clculo de la eficiencia del equipo estudiado;

as como tambin de los diferentes componentes que la conforman pudiendo alcanzar lo

antes dicho, siendo la eficiencia trmica 12.18 %, la eficiencia del compresor 67 %, la

eficiencia de la turbina de gas 30.87% y la eficiencia de la turbina de potencia 70.6%.


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RECOMENDACIN

A la hora de iniciar la prctica de turbina de gas se deben tener en consideracin ciertos

parmetros para que la prctica se pueda realizar con xito y sin ningn inconveniente

como lo pueden ser los siguientes:

Verificar el suministro de agua, electricidad y combustible que necesita la mquina

para su funcionamiento.

Seguir todos y cada uno de los pasos establecidos por el fabricante para el

encendido y posterior funcionamiento. Tener en cuenta que el compresor y la

cmara de combustin requieren un suministro de aire inicial que hay que controlar

para poder encender dicha maquina con xito.

Controlar cada uno de los indicadores de la mquina para no llevar est a

condiciones de trabajo forzadas.

Un buen funcionamiento de esta mquina requiere mantenimientos para as evitar

problemas hoy en da existentes. Como lo son el bote de aceite presente en el sistema de

refrigeracin, la mala ignicin en algunos momentos de la cmara de combustin o la

produccin de energa por parte de la turbina de potencia.


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ANEXOS

Turbina de gas marca CUSSONS en funcionamiento


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22

Despiece de una turbina de gas
http://cuentoscuanticos.files.wordpress.com/2012/05/imagen-3.png


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23

Esquema del ciclo de turbina de gas


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BIBLIOGRAFA

Gordon J. Van Wylen.

Fundamento de termodinmica, 2da edicin.

Mexico: Limusa Wyle. (2009).

M. David Burghardt

Ingenieria termodinmica, 2da edicin.

Mexico: Harla. (1984).

Cengel. Yunus A.

Termodinmica (2009)

Manual del usuario. Turbina de gas de doble flecha cussons technology ltd p9005.

Material suministrado por el Ing. Carlos segura.

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